I/O複用技術的系統調用: select()、poll()、epoll()的解釋以及使用

I/O複用可以使程序同時監聽多個文件描述符，對提高程序的性能很重要；

使用I/O複用技術的五種情況：

1、客戶端程序要同時處理多個socket;

2、客戶端程序要同時處理用戶輸入和網絡連接；

3、TCP服務器要同時處理監聽socket和連接socket;

4、服務器要同時處理TCP請求和UDP請求；

5、服務器要同時監聽多個端口、或者處理多種服務；

1、select()

select系統調用的用途：在指定的一段時間內，監聽用戶感興趣的文件描述符上的可讀、可寫和異常等事件。

select系統調用的原型：

#include <sys/select.h>

int select( int nfds, fd_ set* readfds, fd_ set* writefds, fd_ set* exceptfds,struct timeval* timeout ) ;

/*
(1)  nfds參數指定被監聽的文件描述符的總數。它通常被設置爲select監聽的所有文件描述符中的最大值加1,因爲文件描述符是從0開始計數的。
(2)  readfds、writefds 和 exceptfds 參數分別指向可讀、可寫和異常等事件對應的文件描述符集合。應用程序調用select函數時，通過這3個參數傳人自已感興趣的文件描述符。sclect調用返回時，內核將修改它們來通知應用程序哪些文件描述符已經就緒。這3個參數是fd_ set 結構指針類型。
    fd set結構體的定義如下:
        #include <typesizes.h>
        #define __FD_SETSIZE 1024
        
        #include <sys/select. h>
        #define FD_SETSIZE  __FD_SETSIZE
        typedef long int  __fd_mask;
        #undef  __NFDBITS
        #define __NFDBITS  ( 8* (int) sizeof (__ fd_ mask ) )
        typedef struct
        {
        #ifdef __USE_XOPEN

          __fd_mask fds_bits[ __FD_SETSIZE / __NFDBITS ];
        #define __FDS_BITS(set) ((set)->fds_bits)
        #else
            __fd_mask __fds_bits[ __FD_SETSIZE / __NFDBITS ];
        #define  __FDS_BITS(set) ((set)->__fds_bits)
        #endif
        } fd_set;
    由以上定義可見，fd_ set結構體僅包含一個整型數組，該數組的每個元素的每一位 (bit)標記一個文件描述符。fd_set能容納的文件描述符數量由__FD_SETSIZE指定，這就限制了select能同時處理的文件描述符的總量。
    由於位操作過於煩瑣，我們應該使用下面的一系列宏來訪問fd set 結構體中的位:
    #include <sys/select.h>
    FD_ZERO( fd_ set *fdset ）;        //清除fdset的所有位
    FD_SET( int fd, fd_ set *fdset );  //設置fdset的位fd 
    FD_CLR( int fd, fd_ set *fdset );  //清除fdset的位fd
    int FD_ISSET(int fd, fd_ set *fdset)  //測試fdset的位fd是否被設置
（3）  timeout 參數用來設置select函數的超時時間。它是一個timeval結構類型的指針，採用指針參數是因爲內核將修改它以告訴應用程序select等待了多久。不過我們不能完全信任select調用返回後的timeout值，比如調用失敗時timeout值是不確定的。
    timeval 結構體的定義如下:
    struct timeval
    {
        long tv_sec;   //秒數
        long tv_usec;  //微秒數
    };
    由以上定義可見，select給我們提供了一個微秒級的定時方式。如果給timeout變量的tv_sec成員和tv_usec成員都傳遞0,則select將立即返回。如果給timeout傳遞NULL,則select將一直阻塞， 直到某個文件描述符就緒。
*/

sclect成功時返回就緒(可讀、可寫和異常)文件描述符的總數。

如果在超時時間內沒有任何文件描述符就緒，select 將返回0;

select 失敗時返回-1,並設置erno;

如果在select等待期間，程序接收到信號，則select立即返回-1,並設置errno爲EINTR.

文件描述符就緒條件:

哪些情況下文件描述符可以被認爲是可讀、可寫或者出現異常，對於select的使用非常關鍵。

在網絡編程中，下列情況下socket 可讀:

(1).socket內核接收緩存區中的字節數大於或等於其低水位標記SO_ RCVLOWAT。此時我們可以無阻塞地讀該socket,並且讀操作返回的字節數大於0。

(2).socket通信的對方關閉連接。此時對該socket的讀操作將返回0。

(3).監聽socket.上有新的連接請求。

(4).socket上有未處理的錯誤。此時我們可以使用getsockopt來讀取和清除該錯誤。

下列情況下socket 可寫:

(1).socket內核發送緩存區中的可用字節數大於或等於其低水位標記SO_SNDLOWAT。此時我們可以無阻塞地寫該socket,並且寫操作返回的字節數大於0。

(2).socket的寫操作被關閉。對寫操作被關閉的socket執行寫操作將觸發一個 SIGPIPE信號。

(3).socket使用非阻塞connect連接成功或者失敗(超時)之後。

(4)socket上有未處理的錯誤。此時我們可以使用getsockopt來讀取和清除該錯誤。

網絡程序中，select 能處理的異常情況只有一種: socket 上接收到帶外數據。
select()在TCP通訊中的使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/socket.h>

#define MAXFD   10

void fds_init(int fds[]) 
{
    int i = 0;
    for( ; i< MAXFD; i++ )
    {
        fds[i] = -1;
    }
}

void fds_add(int fds[], int fd)
{
    int i = 0;
    for( ;i  < MAXFD; i++ )
    {
        if ( fds[i] == -1 )
        {
            fds[i] = fd;
            break;
        }
    }
}

void fds_del(int fds[], int fd)
{
    int i = 0;
    for( ;i < MAXFD; i++ )
    {
        if ( fds[i] == fd )
        {
            fds[i] = -1;
            break;
        }
    }
}
int main()
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    assert( sockfd != -1 );

    struct sockaddr_in saddr,caddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.31.96");

    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert( res != -1 );

    listen(sockfd,5);

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    int fds[MAXFD];
    fds_init(fds);

    fds_add(fds,sockfd);

    fd_set fdset;   //文件描述符集合

    while( 1 )
    {
        FD_ZERO(&fdset);
        int maxfd = -1;
        int i = 0;
        for(; i < MAXFD; i++ )
        {
            if ( fds[i] == -1 )
            {
                continue;
            }

            FD_SET(fds[i],&fdset);
            if ( maxfd < fds[i] )
            {
                maxfd = fds[i];
            }
        }

        struct timeval tv = {5,0};
        
        int n = select(maxfd + 1,&fdset,NULL,NULL,&tv);
        if ( n == -1 )
        {
            perror("select error");
            continue;
        }
        else if ( n == 0 )
        {
            printf("time out\n");
            continue;
        }
        else
        {
            int i = 0;
            for( ;i < MAXFD; i++ )
            {
                if ( fds[i] == -1 )
                {
                    continue;
                }
                if ( FD_ISSET(fds[i],&fdset) )
                {
                    if ( sockfd == fds[i] )
                    {
                        int len = sizeof(caddr);
                        int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
                        if ( c < 0 )
                        {
                            continue;
                        }

                        fds_add(fds,c);
                        printf("accept c=%d\n",c);
                    }
                    else
                    {
                        char buff[128] = {0};
                        int num = recv(fds[i],buff,1,0);
                        if ( num <= 0 )
                        {
                            close(fds[i]);
                            fds_del(fds,fds[i]);
                            printf("one client over\n");
                        }
                        else
                        {
                            printf("recv(%d)=%s\n",fds[i],buff);
                            send(fds[i],"ok",2,0);
                        }

                   }
              }
            }
        }
        
    }

}

2.poll()

poll系統調用的用途：在指定時間內輪詢一定數量的文件描述符，以測試其中是否有就緒者。

poll 的原型如下:

#include <pol1.h>
int poll( struct pollfd* fds, nfds_ t nfds, int timeout );
/*
（1） fds 參數是一個pollfd結構類型的數組，它指定所有我們感興趣的文件描述符上發生的可讀、可寫和異常等事件。pollfd 結構體的定義如下:
        struct pol1fd
        {
            int fd;          //文件描述符
            short events;    //註冊的事件
            short revents;   //實際發生的事件，由內核填充
        };
    其中，fd 成員指定文件描述符: events 成員告訴poll監聽fd上的哪些事件，它是一系列事件的按位或: revents 成員則由內核修改，以通知應用程序fd上實際發生了哪些事件。
    poll支持的事件類型如下表所示。
（2） nfds 參數指定被監聽事件集合fds的大小。
        其類型nfds_t 的定義如下:
        typedef unsigned long int nfds_t;
（3） timcout 參數指定poll的超時值，單位是毫秒。當timeout爲 -1 時, poll調用將永遠阻塞，直到某個事件發生:當timcout爲 0 時，poll 調用將立即返回。

      poll系統調用的返回值的含義與select相同。

*/

表中，POLLRDNORM、POLLRDBAND、POLLWRNORM、 POLLWRBAND由XOPEN規範定義。它們實際上是將POLLIN事件和POLLouT事件分得更細緻，以區別對待普通數據和優先數據。但Linux並不完全支持它們。

通常，應用程序需要根據reev調用的返回值來區分socket上接收到的是有效數據還是對方關閉連接的請求，並做相應的處理。不過，自Linux內核2.6.17開始，GNU爲poll系統調用增加了-個POLLRDHUP事件，它在socket上接收到對方關閉連接的請求之後觸發。這爲我們區分上述兩種情況提供了一種更簡單的方式。但使用POLLRDHUP事件時，我們需要在代碼最開始處定義_ GNU_SOURCE。
poll()在TCP通訊中的使用：

//I/O複用：poll()
#define _GNU_SOURCE

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#include <poll.h>

#define MAXFD 10
int create_socket();
int fds_init(struct pollfd fds[])  //清空結構體數組
{
    int i = 0;
    for(;i<MAXFD;i++)
    {
	fds[i].fd = -1;
	fds[i].events = 0;
	fds[i].revents = 0;
    }
}

void fds_add(struct pollfd fds[],int fd)  //添加
{
    int i = 0;
    for(;i<MAXFD;i++)
    {
	if(fds[i].fd == -1)
	{
	    fds[i].fd = fd;
	    fds[i].events = POLLIN | POLLRDHUP;
	    fds[i].revents = 0;
	    break;
	}
    }
}

void fds_del(struct pollfd fds[],int fd)
{
    int i = 0;
    for(;i<MAXFD;i++)
    {
	if(fds[i].fd == fd)
	{
	    fds[i].fd = -1;
	    fds[i].events = 0;
	    fds[i].revents = 0;
	    break;
	}
    }

}
int main()
{
    int sockfd = create_socket();
    assert(sockfd != -1);

    struct pollfd fds[MAXFD];
    fds_init(fds);

    fds_add(fds,sockfd);

    while(1)
    {
	int n = poll(fds,MAXFD,5000);
	if(n == -1)
	{
	    perror("poll error");
	}
	else if(n == 0)
	{
	    printf("time out\n");
	}
	else
	{
	    int i = 0;
	    for(;i<MAXFD;i++)
	    {
		if(fds[i].fd == -1)
		{
		    continue;
		}
		if(fds[i].revents & POLLRDHUP)
		{
		    close(fds[i].fd);
		    fds_del(fds,fds[i].fd);
		    printf("one client hup!");
		    continue;
		}
		if(fds[i].revents & POLLIN)
		{
		    if(fds[i].fd == sockfd)
		    {
			struct sockaddr_in caddr;
			int len = sizeof(caddr);
			int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
			if ( c < 0 )
			{
			    continue;
			}
			fds_add(fds,c);
			printf("accept = %d\n",c);
		    }
		    else
		    {
			char buff[128] = {0};
			int num = recv(fds[i].fd,buff,127,0);
			if( num <= 0)
			{
			    close(fds[i].fd);
			    fds_del(fds,fds[i].fd);
			    printf("one client over\n");

			}
			else
			{
			    printf("recv(%d):%s\n",fds[i].fd,buff);
			    send(fds[i].fd,"ok",2,0);
			}
		    }
		}
	    }
	}
    }
    
}

int create_socket()
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sockfd == -1)
    {
	return -1;
    }

    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.118");

    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert(res != -1);
    listen(sockfd,5);
    return sockfd;
}

3.epoll()

poll系統調用的用途：

epoll是Linux特有的I/O複用函數。它在實現和使用上與select、poll 有很大差異。首先，epoll 使用一組函數來完成任務，而不是單個函數。其次，epoll 把用戶關心的文件描述符上的事件放在內核裏的一個事件表中，從而無須像select和poll那樣每次調用都要重複傳人文件描述符集或事件集。但epoll需要使用一個額外的文件描述符，來唯一標識內核中的這個事件表。這個文件描述符使用如下epoll_ create 函數來創建。

#include <sys/epoll.h>

   int epoll_create( int size )
      size參數現在並不起作用，只是給內核一個提示，告訴它事件表需要多大。該函數返回的文件描述符將用作其他所有epoll系統調用的第一個參數，以指定要訪問的內核事件表。
      下面的函數用來操作epoll的內核事件表：

#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl( int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event )
fd參數是要操作的文件描述符，op 參數則指定操作類型。操作類型有如下3種:

(1) EPOLL_CTL_ADD,往事件表中註冊fd上的事件。

(2) EPOLL_CTL_MOD,修改fd上的註冊事件。

(3) EPOLL_CTL_DEL,刪除fd.上的註冊事件。

event參數指定事件，它是epoll event 結構指針類型。epoll_event 的定義如下:
struct epoll_event

{
__uint32_t events; /* epoll事件*/

epoll_data_t data; /*用戶數據*/

};

其中events成員描述事件類型。epoll 支持的事件類型和poll基本相同。表示epoll事件類型的宏是在poll對應的宏前加上“E”，比如epoll的數據可讀事件是EPOLLIN.但epoll有兩個額外的事件類型一EPOLLET 和EPOLLONESHOT.它們對於epoll的高效運作非常關鍵，我們將在後面討論它們。data 成員用於存儲用戶數據，其類型epoll_data_t 的定義如下:

typedef union epoll_data

   {
   void* ptr;int fd;
   uint32_ t u32;    uint64_ t u64;

} epoll_data_t;
epoll_data_t 是-一個聯合體，其4個成員中使用最多的是fd,它指定事件所從屬的目標文件描述符。ptr成員可用來指定與fd相關的用戶數據。但由於epoll_data_t 是一個聯合體，我們不能同時使用其ptr成員和fd成員，因此，如果要將文件描述符和用戶數據關聯起來, 以實現快速的數據訪問，只能使用其他手段，比如放棄使用epoll_data_t的fd成員，而在ptr指向的用戶數據中包含fd.
epoll_ ctl 成功時返回0,失敗則返回-1並設置errno。

epoll系列系統調用的主要接口是epoll_wait 函數。它在一段超時時間內等待一組文件描述符上的事件，其原型如下:
include <sys/epoll.h>
int epoll_wait( int epfd, struct epoll_ event* events, int maxevents,int timeout ) ;
該函數成功時返回就緒的文件描述符的個數，失敗時返回-1並設置erno。
關於該函數的參數，我們從後往前討論。timeout參數的含義與poll接口的timeout參數相同。maxevents 參數指定最多監聽多少個事件，它必須大於0。

epoll_wait函數如果檢測到事件，就將所有就緒的事件從內核事件表(由epfd 參數指定)中複製到它的第二個參數events指向的數組中。這個數組只用於輸出epoll wait檢測到的就緒事件，而不像select和poll的數組參數那樣既用於傳人用戶註冊的事件，又用於輸出內核檢測到的就緒事件。這就極大地提高了應用程序索引就緒文件描述符的效率。

epoll()在TCP通訊中的使用：

//I/O複用：poll()
#define _GNU_SOURCE

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/epoll.h>

#define MAXFD 10
int create_socket();
void epoll_add(int epfd,int fd)
{
    struct epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = fd;

    if( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev) == -1 )
    {
	perror("epoll_ctl error");
    }
}

void epoll_del(int epfd,int fd)
{
    if( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL) == -1 )
    {
	perror("epoll del erreo");
    }
}
int main()
{
    int sockfd = create_socket();
    assert(sockfd != -1);
    
    int epfd = epoll_create(MAXFD);
    assert(epfd != -1);
    
    epoll_add(epfd,sockfd);

    struct epoll_event events[MAXFD];
    while (1)
    { 
	int n = epoll_wait(epfd,events,MAXFD,5000);
	if( n == -1 )
	{
	    perror("epoll error");
	}
	else if(n == 0)
	{
	    printf("time out\n");
	}
	else
	{
	    int i = 0;
	    for(;i<n;i++)
	    {
		    if(events[i].data.fd == sockfd)
		    {
			struct sockaddr_in caddr;
			int len = sizeof(caddr);
			int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
			if ( c < 0 )
			{
			    continue;
			}
			epoll_add(epfd,c);
			printf("accept = %d\n",c);
		    }
		    else
		    {
			char buff[128] = {0};
			int num = recv(events[i].data.fd,buff,127,0);
			if( num <= 0)
			{
			    close(events[i].data.fd);
			    epoll_del(epfd,events[i].data.fd);
			    printf("one client over\n");

			}
			else
			{
			    printf("recv(%d):%s\n",events[i].data.fd,buff);
			    send(events[i].data.fd,"ok",2,0);
			}
		    }
	    }
	}
    }
    
}

int create_socket()
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sockfd == -1)
    {
	return -1;
    }

    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.43.163");

    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert(res != -1);
    listen(sockfd,5);
    return sockfd;
}

I/O複用技術的系統調用: select()、poll()、epoll()的解釋以及使用

1、select()

文件描述符就緒條件:

2.poll()

3.epoll()

使用neovim打造go ide(支持代碼跳轉, 代碼補全, 實時語法檢查)

挑戰程序設計競賽 2.3章習題 poj 3046 Ant Counting

Shell/Python中的用戶名獲取

const、static、extern用法

STL——標準模板庫

面向對象思想——oop

I/O複用技術的系統調用: select()、poll()、epoll()的解釋以及使用

vector容器的實現、stack容器適配器的實現

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

linux以太網驅動總結